曾凌烽，林朝哲，黃建理，周德永，張澤龍

（1.南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510000）

引言

局部放電檢測(cè)是一種廣泛應(yīng)用于電力變壓器的診斷技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的超聲波來(lái)識(shí)別和定位變壓器系統(tǒng)中的早期故障[1-4]。由于光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[5-8]，因此被廣泛應(yīng)用于電力變壓器的局部放電超聲檢測(cè)中。

對(duì)于局部放電源的定位一般需要多個(gè)傳感器，這些傳感器可以提供聲波到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差信息，然后借助三角測(cè)量等技術(shù)來(lái)定位局部放電源的位置[9-10]。在電力變壓器的局部放電聲檢測(cè)中，通常使用放置在變壓器外的壓電式傳感器，但是壓電式傳感器易受電磁干擾，且放置在變壓器外部可能導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果不準(zhǔn)確?；诠鈱W(xué)干涉原理的新型傳感器由于其小巧的結(jié)構(gòu)，可以安裝在變壓器內(nèi)部，使傳感器更接近聲釋放源，因而具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，并且可以克服惡劣環(huán)境中電噪聲等相關(guān)問(wèn)題，因此受到了廣泛關(guān)注[11-14]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)的POSADA-ROMAN J等人提出了一種對(duì)局部放電進(jìn)行超聲檢測(cè)的內(nèi)部干涉式光纖傳感器[15]，中國(guó)科學(xué)院電工研究所的郭少朋等人針對(duì)油浸變壓器中局部放電的測(cè)試需求，提出了基于Fabry-Perot 的超聲波測(cè)試系統(tǒng)[16]，但是上述方案只能用于單通道檢測(cè)，這極大地限制了傳感器的實(shí)用性。華北電力大學(xué)的王楊超等人提出一種基于法布里-珀羅的局部放電光纖超聲傳感器[17]，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了局部放電的模式識(shí)別，但是該方案也未進(jìn)行多通道的傳感研究。對(duì)于局部放電定位研究，更多是基于電容器[18]及相關(guān)數(shù)學(xué)算法[19]實(shí)現(xiàn)的，但是這些方法易受電磁干擾，且計(jì)算量復(fù)雜，成本高昂。因此我們開(kāi)發(fā)了一種基于光纖的局部放電超聲檢測(cè)系統(tǒng)，以解決多通道配置問(wèn)題，同時(shí)保持檢測(cè)局部放電發(fā)出的低幅度聲學(xué)信號(hào)所需的高性能，以便實(shí)現(xiàn)局部放電源的定位。

在本文中，我們提出了一種用于檢測(cè)電力變壓器多點(diǎn)局部放電的光纖多通道外差式干涉?zhèn)鞲衅?，該傳感系統(tǒng)能夠同時(shí)處理4 個(gè)傳感通道，且能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電聲源的定位，對(duì)所有傳感通道進(jìn)行了局部放電測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感系統(tǒng)傳感頭放置在電力變壓器內(nèi)部的方案，可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。同時(shí)對(duì)三相電力變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，證明了該傳感方案的可行性。

1 傳感原理

聲釋放是彈性傳播介質(zhì)（例如油或水）中的壓力變化，可以耦合到彈性傳感材料中（例如光纖）。這種本征傳感的原理是基于聲誘導(dǎo)應(yīng)變產(chǎn)生的光程變化，可以通過(guò)光纖干涉儀中的光學(xué)相位 Δφ測(cè)量獲得[20]：

式中：n是光纖的有效折射率；l是光纖干涉儀的長(zhǎng)度；λ是光波長(zhǎng)；v是泊松比；E是楊氏模量；p11和p12是光彈常數(shù)；Δp是聲壓的變化量。光纖的軸向應(yīng)變和光彈效應(yīng)均會(huì)對(duì)光學(xué)相位的變化產(chǎn)生影響。

對(duì)于局部放電檢測(cè)的光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，通常分為零差法和外差法。零差法是基于兩個(gè)頻率相同的光束的干涉，這種方法是將傳感器檢測(cè)到的聲波轉(zhuǎn)換為干涉儀輸出端的光電流幅度i：

式中：K是一個(gè)常數(shù)，包含光電探測(cè)器的平均光功率、響應(yīng)度和干涉信號(hào)的對(duì)比度；φ0是由干涉儀干涉臂之間的不平衡引入的初始相位；Δφ是式（1）中描述的相位變化，其中包含需要檢測(cè)的信息。

外差法是基于兩個(gè)不同頻率的光束干涉，聲波信息包含在干涉儀輸出端光電流信號(hào)的相位中。在這兩種技術(shù)中，聲波都調(diào)制載波信號(hào)，因此必須對(duì)載波進(jìn)行充分的解調(diào)，以獲得需要檢測(cè)的信息。外差法輸出端的光電流可以表示為

式中：K、φ0和Δφ與式（2）中描述的參數(shù)相同；fc是由光相位調(diào)制的載波信號(hào)的頻率。在外差法中，載波信號(hào)通常是高頻或甚高頻頻段中的射頻信號(hào)，而零差法使用低頻信號(hào)，這使其更容易實(shí)現(xiàn)。然而，零差法需要一個(gè)相位調(diào)制器（通常是壓電致動(dòng)器），以便將干涉儀的偏置點(diǎn)設(shè)置在準(zhǔn)線性范圍內(nèi)，因此多通道系統(tǒng)需要多個(gè)調(diào)制器（每個(gè)通道一個(gè)），這使得零差法在實(shí)際工程應(yīng)用中不易實(shí)現(xiàn)。外差法雖然復(fù)雜，但在多通道應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槊總€(gè)通道中不需要額外的組件。此外，由于測(cè)量是在高頻載波的相位中調(diào)制的，因此它的高分辨率測(cè)量不易受閃爍噪聲（1/f噪聲）的影響。

2 傳感器的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中的傳感器的設(shè)計(jì)是基于多層配置的光纖線圈，該光纖線圈將用于局部放電聲釋放的傳感，如圖1 所示。由式(1)可知，通過(guò)將更長(zhǎng)的光纖置于聲波范圍內(nèi)可以獲得更高的靈敏度。為了獲得緊湊的尺寸，傳感器設(shè)計(jì)為多層纏繞的光纖圈。如果傳感器的尺寸遠(yuǎn)低于聲波波長(zhǎng)，則暴露在聲波下的所有光纖都會(huì)影響傳感器的靈敏度，另外光纖的最小彎曲半徑?jīng)Q定了線圈的最小直徑。因此，通過(guò)光纖長(zhǎng)度提高靈敏度和避免靈敏度損失的緊湊設(shè)計(jì)是一個(gè)權(quán)衡問(wèn)題。在本實(shí)驗(yàn)中，為了避免光纖彎曲造成的光傳輸損耗，線圈是在直徑為30 mm 的圓柱形上纏繞了17 m 光纖制成的，纏繞層數(shù)為5層，纏繞完成之后移除圓柱體。

圖1 光纖傳感器檢測(cè)超聲信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic signal detection by optical fiber sensor

3 多通道光纖外差干涉?zhèn)鞲薪庹{(diào)方案

圖2 所示為4 個(gè)通道傳感系統(tǒng)的解調(diào)方案示意圖。在該方案中，為了實(shí)現(xiàn)四通道傳感系統(tǒng)，將來(lái)自中心波長(zhǎng)為1 550 nm 左右光源的光分為參考臂和傳感臂，如圖2 中虛線框中所示。頻移由聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM）產(chǎn)生，聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率f1（80 MHz）由信號(hào)發(fā)生器提供。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)該裝置后，被調(diào)制成頻率為f0+f1（一階）的光束通過(guò)耦合器到達(dá)傳感器，從光源發(fā)出的另一束頻率為f0（零階）的光束則到達(dá)參考臂。然后光纖耦合器將來(lái)自每個(gè)傳感臂的光信號(hào)與參考臂的光信號(hào)相結(jié)合，以獲得4 個(gè)通道的干涉測(cè)量輸出。這些干涉信號(hào)由4 個(gè)可調(diào)增益的平衡光電探測(cè)器（Thorlabs,PDB450C）檢測(cè)，該探測(cè)器的工作波長(zhǎng)為800 nm～1 700 nm，帶寬可達(dá)150 MHz。在其輸出端獲得相位調(diào)制為80 MHz 載波，載波移至4.8 MHz 的中頻，這是通過(guò)將載波與同一信號(hào)發(fā)生器生成的75.2 MHz 信號(hào)混合來(lái)完成的，然后中頻被數(shù)字化和數(shù)字解調(diào)，最后在由多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)完成從載波信號(hào)中提取所需的相位信息。

圖2 多通道傳感干涉測(cè)量方案Fig.2 Interferometry scheme for multi-channel sensing

4 多通道干涉儀性能分析

4.1 傳感系統(tǒng)的分辨率

圖3 所示為該多通道傳感系統(tǒng)一個(gè)通道檢測(cè)到的載波的功率譜密度（power spectral density，PSD）。取如圖3 所示的載波信號(hào)頻譜，對(duì)檢測(cè)帶寬中存在的噪聲進(jìn)行積分，檢測(cè)帶寬在載波頻率1 MHz 附近，得到信噪比（signal to noise ratio，SNR）為32 dB。在該信噪比下，相應(yīng)的相位分辨率為4 mrad。由于本測(cè)試中使用了自由空間聲光調(diào)制器，光學(xué)插入損耗較大，這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。在以后的研究中將使用尾纖聲光調(diào)制器設(shè)備，以優(yōu)化插入損耗。

圖3 干涉儀每個(gè)通道獲得的功率譜密度Fig.3 Power spectral density obtained for each channel of interferometer

4.2 聲釋放檢測(cè)

聲釋放檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)尺寸為100×60×60 cm3充滿水的箱子里進(jìn)行，水可以傳遞超聲波，使用壓電陶瓷（PZT）作為聲發(fā)射(acoustic emissions,AE)源模擬局部放電產(chǎn)生的聲波。罐壁的內(nèi)表面覆蓋有吸聲材料，以避免聲波反射干擾實(shí)驗(yàn)。此外，作為參考的校準(zhǔn)水聽(tīng)器（Bruel&Kjaer 8103）放置在傳感器的附近，該水聽(tīng)器專(zhuān)為高頻實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)用途而設(shè)計(jì)，其靈敏度為30 μV/Pa，頻率相應(yīng)范圍為0.1 Hz～180 kHz。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(a)所示。在本實(shí)驗(yàn)中，水箱內(nèi)的PZT 產(chǎn)生150 kHz 的聲波，對(duì)傳感器和參考水聽(tīng)器同時(shí)檢測(cè)；同樣條件下，傳感器距離聲源越近，靈敏度越高，考慮到實(shí)際情況的應(yīng)用，我們?cè)O(shè)置兩者都位于聲源前方20 cm處，然后對(duì)傳感系統(tǒng)上的每個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試。圖4(b)顯示了使用相同傳感探頭獲得的所有通道的聲信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，并與參考水聽(tīng)器檢測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行了比較。與使用光纖傳感器檢測(cè)到的聲信號(hào)相比，參考水聽(tīng)器檢測(cè)到的聲發(fā)信號(hào)具有相同的趨勢(shì)和不同的峰值，具體表現(xiàn)為光纖傳感器檢測(cè)到的信號(hào)中有2 個(gè)峰值，為延遲的雙峰響應(yīng)，這是由于光纖圈的對(duì)稱性引起的，所以它會(huì)檢測(cè)2 次相同的聲波。這種雙重響應(yīng)效應(yīng)可以通過(guò)使用絕緣光纖線圈來(lái)避免，這將在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)分析中介紹。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results

5 實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)的目的之一是通過(guò)在變壓器內(nèi)部合理布置傳感器，實(shí)現(xiàn)局部放電聲波的在線檢測(cè)。因此我們提出了在變壓器內(nèi)部布置傳感器的方案，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。圖5 為150 kHz 聲信號(hào)下在x-y和y-z平面上傳感器的方向響應(yīng)性?？梢钥闯?，在x-y平面上檢測(cè)角度為±30°，如圖5(a)所示；在y-z平面上有一個(gè)覆蓋±90°的寬探測(cè)角，如圖5(b)所示。

圖5 光纖超聲傳感器的方向性Fig.5 Directivity of optical fiber ultrasonic sensor

傳感器的位置放置是利用了它們?cè)趛-z平面上的寬檢測(cè)角特性。一個(gè)傳感器可以監(jiān)測(cè)變壓器繞組的完整一側(cè)，因此需要6 個(gè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)變壓器三相的繞組。另外，傳感器的放置位置應(yīng)該使得繞組在x-y平面的檢測(cè)角度內(nèi)。因此，傳感器的放置滿足條 件r/d＜tan30°，其中r是繞組 半徑，d是繞組中心到傳感器的距離，如圖6 所示。

圖6 用于變壓器局部放電監(jiān)測(cè)的光纖傳感器內(nèi)部位置放置示意圖Fig.6 Schematic diagram of internal position placement of optical fiber sensor for transformer PD monitoring

為了證明所提出傳感器的有效性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)多通道系統(tǒng)進(jìn)行表征，使用同一個(gè)聲學(xué)測(cè)試臺(tái)對(duì)傳感器浸入水中時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。如前所述，這種配置需要6 個(gè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)變壓器的3 個(gè)繞組，然而，水箱的兩側(cè)都具有對(duì)稱性，故簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，3 個(gè)傳感器足以證明這一概念。其中，PZT 用于模擬局部放電產(chǎn)生的聲波。圖7為3 個(gè)傳感器檢測(cè)到的結(jié)果，它們的特性類(lèi)似于在工程應(yīng)用中觀察到的聲釋放，即通過(guò)連接變壓器的2 個(gè)高壓電極在油中產(chǎn)生的真實(shí)局部放電[21-22]。圖7 還顯示了用作聲發(fā)射源的PZT 的電信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)包含3 個(gè)周期150 kHz 的正弦信號(hào)，與第4.2 節(jié)所示信號(hào)的雙峰包絡(luò)不同，在這種情況下，每個(gè)傳感器檢測(cè)到的聲釋放是單峰響應(yīng)（正面檢測(cè)），因?yàn)閭鞲衅鞯谋趁姹环胖迷诠饫w線圈中部的吸聲器隔離，因此可以觀察到從聲源到3 個(gè)傳感器的不同到達(dá)時(shí)間差。

圖7 3 個(gè)光纖傳感器對(duì)模擬局部放電信號(hào)的的檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Detection results of simulated partial discharge signals by three fiber optic sensors

進(jìn)行的試驗(yàn)主要是測(cè)量聲波到達(dá)傳感器的時(shí)間差，這是聲源定位的基礎(chǔ)。在這些測(cè)試中，對(duì)聲波進(jìn)行了兩次掃描：一次沿著x軸，另一次沿著z軸，如圖8 所示。x軸的掃描是沿著一條線進(jìn)行的，該線位于3 個(gè)繞組區(qū)域的中間，這3 個(gè)區(qū)域被直徑為20 cm 的繞組占據(jù)。在2 次連續(xù)測(cè)量之間，聲發(fā)射源沿這條線的位移為5 cm。

圖8 用于實(shí)現(xiàn)AE 源掃描的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Experimental setup used to implement AE source scanning

圖9 所示為在沿x軸掃描的測(cè)試過(guò)程中，對(duì)每個(gè)傳感器檢測(cè)到的聲信號(hào)進(jìn)行歸一化處理后的結(jié)果?？梢钥闯?，該傳感系統(tǒng)至少有2 個(gè)相鄰的傳感器可以檢測(cè)到相同的聲信號(hào)，在這種特殊情況下，可以獲得振幅高于最大值一半（歸一化振幅的0.5 倍）的信號(hào)。盡管這種情況取決于變壓器繞組之間的距離，但也可以調(diào)整傳感器到繞組的距離，以優(yōu)化至少2 個(gè)傳感器的檢測(cè)。這種配置既允許使用三角測(cè)量在二維平面內(nèi)定位聲源位置，也允許當(dāng)2 個(gè)相鄰傳感器無(wú)法檢測(cè)到相同信號(hào)時(shí)定位聲源位置時(shí)，另一個(gè)傳感器的檢測(cè)提供了發(fā)生故障的繞組的信息。

圖9 沿x 軸測(cè)試過(guò)程中傳感器檢測(cè)到聲信號(hào)的歸一化結(jié)果Fig.9 Normalized results of acoustic signal detected by sensor during test along x axis

圖10(a)顯示了沿x軸掃描獲得的聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)差的測(cè)量值；圖10(b)為使用傳感器No.2 和No.3 測(cè)量z軸掃描的聲波到達(dá)時(shí)間差，圖中S1、S2 和S3 分別是3 個(gè)傳感器的標(biāo)號(hào)。在此測(cè)試中，2 次連續(xù)測(cè)量之間的聲源位移也是5 cm。2 次測(cè)試得到的聲信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)間差的差為6.67 μs，因此計(jì)算得到測(cè)量中觀察到的最大偏差為1 cm。這表明系統(tǒng)獲得的關(guān)于聲波到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量分辨率為1 cm，約為實(shí)驗(yàn)所用箱子最大尺寸的1%。

圖10 不同位置聲發(fā)射源的TOA 測(cè)量Fig.10 TOA measurement of AE sources at different positions

6 結(jié)論

本文提出了一種利用光纖傳感器進(jìn)行多通道局部放電超聲檢測(cè)的外差干涉?zhèn)鞲蟹桨?。傳感系統(tǒng)由4 個(gè)傳感頭構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè)和局部放電聲源的定位。在150 kHz 聲波下對(duì)該傳感系統(tǒng)的分辨率以及四通道可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，該傳感系統(tǒng)的單個(gè)通道的分辨率可達(dá)4 mrad。此外，還提出了一種將傳感器放置在變壓器內(nèi)的配置方案，可以監(jiān)測(cè)變壓器的3 個(gè)繞組。使用多通道干涉測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量局部放電聲信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間差，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，基于聲波到達(dá)時(shí)間差的定位可以達(dá)到1 cm 的分辨率。可以通過(guò)增加光功率來(lái)提高分辨率，從而提高信噪比。該傳感方案具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高的分辨率及低廉的成本，在電力系統(tǒng)安全檢測(cè)中有著巨大應(yīng)用潛力。